Wissenschaftspreis „Forschung im Verbund“ für eine Strahlentherapie nach Maß

Für die Entwicklung einer interaktiven und leicht zu bedienenden Software für die Strahlentherapieplanung erhalten die Fraunhofer-Forscher Karl-Heinz Küfer, Michael Bortz, Alexander Scherrer, Philipp Süss und Katrin Teichert mit den Forschungspartnern Thomas Bortfeld (Massachusetts General Hospital, Boston) Wolfgang Schlegel (Deutsches Krebsforschungszentrum) und Jürgen Debus (DKFZ und Universitätsklinikum Heidelberg) und Christian Thieke (früher DKFZ, jetzt LMU München) den mit 50.000 Euro dotierten Preis des Stifterverbands 2016.

Die neue Software beschleunigt die Strahlentherapieplanung, erleichtert es, eine gute Balance zwischen Therapiechance und eventuellen Nebenwirkungen zu finden, und trägt letztlich zu verbesserten Heilungschancen bei. Die Jury hob "die breite Einsetzbarkeit des Verfahrens zur Behandlung der Volkskrankheit Krebs sowie den internationalen Marktbezug" hervor.

In Deutschland erkranken jährlich rund 483 000 Menschen an Krebs, über die Hälfte davon erhält eine Strahlentherapie. Die Bestrahlung schädigt das Erbgut der Zellen und beeinträchtigt so deren Teilung oder führt direkt zum Zelltod. Das Ziel der Therapie ist es, Tumorzellen abzutöten, gesundes Gewebe aber zu schonen. Bisher hat der Mediziner seine Wünsche geäußert, der Strahlenphysiker überführte diese in einen Therapieplan. War der Arzt nicht zufrieden, arbeitete der Physiker nach und näherte sich so dem Optimum an.

„Das Neue des mathematischen Ansatzes ist, dass man von Anfang an eine Lösungsvielfalt berechnet, aus der der Arzt eine für den Patienten bestmögliche auswählen kann", erläutert der Radioonkologe Jürgen Debus. Er testete die entwickelte Software in der Klinik.

Um den Prozess zu verbessern, betrachteten die Fraunhofer-Forscher Karl-Heinz Küfer, Michael Bortz, Alexander Scherrer, Philipp Süss und Katrin Teichert die Therapieplanung als sogenannte „mehrkriterielle Optimierungsaufgabe". Dabei muss ein ausgewogener Kompromiss zwischen etwa zehn bis fünfzehn teilweise gegenläufigen Planungszielen gefunden werden.

„Hierfür gibt es ein besseres Konzept als die bisherige Versuche- und-Verwerfe-Strategie, nämlich das Prinzip der Paretolösung", erklärt Karl-Heinz Küfer. Dies ist eine Lösung, die nicht gleichzeitig für alle Kriterien besser werden kann. Wenn man ein Kriterium verbessert, muss sich ein anderes verschlechtern. Im Fall der Bestrahlung bedeutet dies etwa: Wird der Tumor mit höherer Dosis bestrahlt, wird auch das umliegende Gewebe stärker geschädigt.

Im Forschungsverbund zur erfolgreichen Anwendung

Entwickelt wurde die Software unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM, Kaiserlautern)gemeinsam mit dem Deutschen Krebsforschungszentrum, dem Universitätsklinikum Heidelberg sowie dem Massachusetts General Hospital im Forschungsverbund der Harvard Medical School. „Die Tumorkontrolle funktioniert durch die neue Planungssystematik besser, da wir den Tumor mit einer höheren Dosis bestrahlen können. Die Wahrscheinlichkeit, dass er dauerhaft vernichtet wird, ist damit höher. Zudem schonen wir Normalgewebe, das wir früher unter Umständen gar nicht schonen konnten", bestätigt Thomas Bortfeld, der die mehrkriterielle Optimierung 2011 gemeinsam mit dem Unternehmen RaySearch Laboratories im Massachusetts General Hospital in Boston erstmals klinisch einsetzte.

Wolfgang Schlegel vom Deutschen Krebsforschungszentrum betont: „Am DKFZ wurden seit den neunziger Jahren neue, schonende und effiziente Verfahren der Strahlentherapie (IMRT) entwickelt. Die im Verbund geschaffenen Planungsprogramme vereinfachen und verbessern diese DKFZ-Verfahren und ermöglichen eine noch größere weltweite Verbreitung. Das Projekt kann zudem als äußerst erfolgreiche Zusammenarbeit zwischen Wirtschaftsmathematik und Strahlenphysik angesehen werden, Gebiete die eigentlich sehr weit auseinander liegen. Innovationen entstehen heute sehr oft durch solche interdisziplinären Kooperationen. Ich freue mich, dass der Wissenschaftspreis diesen Gesichtspunkt in besonderer Weise würdigt."

Bis Ende 2015 hatte das Unternehmen RaySearch Laboratories das System an zirka 400 Planungsplätze in etwa 320 Kliniken verkauft. Durch zusätzliche Lizensierung durch den Weltmarktführers Varian Medical Systems wird die Technologie künftig an über 20 000 Therapieplanungsplätzen weltweit verfügbar sein.

Seit mehr als zehn Jahren verleiht der Stifterverband gemeinsam mit der Fraunhofer-Gesellschaft einen mit 50 000 Euro dotierten Preis. Dieser zeichnet wissenschaftlich exzellente Verbundprojekte der angewandten Forschung aus, die Fraunhofer-Institute gemeinsam mit der Wirtschaft und/oder anderen Forschungsorganisationen bearbeiten.

Der Preis wurde bei der Fraunhofer-Jahrestagung am 10. Mai in Anwesenheit von Bundesforschungsministerin Johanna Wanka und Ministerpräsidentin Hannelore Kraft verliehen.